GH690合金大型環件空冷過程溫度場演化規律數值模擬

梁勝龍，馬 俊

(蘇州工業職業技術學院，蘇州 215104)

GH690合金大型環件空冷過程溫度場演化規律數值模擬

梁勝龍，馬 俊

(蘇州工業職業技術學院，蘇州 215104)

基于DEFORM-3D有限元平臺，建立了Φ420/Φ280-380mm規格的GH690合金大型環件空冷過程的三維熱彈性有限元模型，對難變形合金GH690大型環件空冷過程中溫度場演化規律模擬仿真研究，對合理調整GH690合金大型環件冷卻工藝，提高環件質量具有重要意義。

GH690合金；大型環件；空冷過程；宏觀規律；數值模擬

0 引言

隨著國防工業、軍工科技和現在能源產業的的迅猛發展，大型化、高特性能化成為金屬環件新發展趨向，對于難變形合金大型環件的需求日益迫切而廣泛，對于高精度、高抗腐蝕性能的難變形GH690合金大型環件的需求日益迫切而廣泛[3,4]，亟需研發和優化難變形合金大型環件先進塑性成形技術。

而成型的GH690合金大型環件從熱塑性溫度冷卻至室溫的過程中，經歷了大的塑性變形和從高溫到常溫的變化，溫度變化梯度大，內部應力分布復雜，極易產生質量缺陷。由于各種條件所限，很難通過實驗方法測得溫度場和應力場的分布情況以及變化規律。因此，采用有限元技術從理論上研究大型環件空冷過程的溫度和應力分布規律及影響因素，對合理調整大型環件冷卻工藝，提高環件質量具有重要意義。

因此，本文基于DEFORM-3D有限元模擬軟件，建立了Φ420/Φ280-380mm規格的大型環件空冷過程的三維熱彈性有限元模型，對難變形GH690合金大型環件空冷過程中宏觀演化規律進行了模擬仿真研究。模擬分析了該規格GH690大型環件空冷過程中溫度場、應力場的分布規律以及隨時間的變化規律，對合理調整大型環件冷卻工藝，提高環件質量具有重要意義。

1 FEM模型

1.1 數學假設

1) 假設擠壓環件溫度分布均勻，忽略環件與模具接觸面的傳熱；

2) 忽略因擠壓產生的材料各向異性，假設材料均勻且各向同性，材料不可壓縮，體積保持不變；

3) 空冷過程屬于靜態變形，變形速率很小，采用熱彈性模型。

1.2 幾何模型

應用PROE軟件進行實體建模過程中，由于擠壓環件是回轉體，因此，為提高計算速度和節省計算內存空間，采用環件1/12(30°)進行建模，幾何模型如圖1所示。

1.3 材料參數

GH690合金在含氯化物溶液和氫氧化鈉溶液中具有優異的抗應力腐蝕開裂能力、低腐蝕速率和優異的應力腐蝕開裂抗力，廣泛應用于硝酸和氫氟酸環境中、石油化工及燃燒爐，尤其在核工業中具有非常廣泛的應用前景[5～8]，其材料參數如表1所示。

圖1 大型環件幾何模型

表1 GHl690合金材料熱物理參數

1.4 初始條件和邊界條件

塑性成形過程的傳熱過程是一個很復雜的熱力學問題。初始條件是指坯料變形開始時的初始溫度分布，一般表示為在控制體積V內：

式中T0（x，y，z）為初始狀態時坯料的溫度分布。GH690合金的深度塑性加工范圍為1040 ℃～1260℃,環件擠出模具后，溫度略有下降，因此設定環件溫度分布均勻，初始溫度為1000℃[7,8]。

邊界條件是描述外部換熱規律及其與內部導熱之間的關系，是給定周圍介質的溫度變化規律和與物體表面間的熱交換規律，包括對流邊界和輻射邊界。

物體與流體相接觸時，熱流密度qd與物體邊界溫度T與流體溫度Tf之差成正比，可以表示為：

式中：hc為對流換熱傳導系數，0.02N/(S·mm·℃)；Tf為流體溫度。

輻射換熱遵循斯蒂芬-波爾滋曼（Stenfen-Boltzman）定律，由輻射產生的熱流密度qr，可以表示為：

式中：η為材料表面的輻射系數，0.2N/(S·mm·℃)；φ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數；Tc為環境溫度。

2 結果與討論

圖2給出了GH690合金大型擠壓管空冷過程中溫度場在不同時刻的分布云圖。可以看出，由于環件初始溫度為1000℃，存在和周圍環境的溫度差（環境溫度為20℃），所以環件熱能量不斷從環件內外表面流動到周圍環境中，環件表層溫度首先下降，特別是環件兩端，由于得到心部熱量補償的能力較弱，溫降最為嚴重；隨著空冷的不斷進行，環件整體溫度不斷下降。

環件的整個空冷過程中，坯料金屬溫度分布梯度基本相同，按溫度可以分為高中低三部分：由于環件兩端熱量補償能力最弱，溫降最為嚴重，為低溫區域；環件兩端與心部過渡部分和內外表層金屬可以不斷獲得心部金屬的熱量補償，屬于中溫區；心部金屬由于不直接和外部環境接觸，溫差較小，熱量流失相對較慢，溫度最高。

圖2 不同時刻下環件的溫度場分布云圖

表2給出了不同時刻環件溫度分布帶的大小，可以看出，隨著空冷過程的不斷進行，最大溫度和最小溫度均不斷下降，但其差值不斷減小，這是因為隨著空冷的不斷進行，環件熱量不斷流失，溫度整體溫度不斷下降，是的環件與周圍環境的溫差不斷減小，表面與環境的熱量流失速度變緩，而心部熱量向四周金屬的流動收到的影響較弱，因此環件整體溫差不斷減小。當空冷時間超過5000s后，整體環件溫度均已將至250℃以下。

表2 GHl690合金材料熱物理參數

3 結論

基于DEFORM-3D有限元模擬軟件，建立了Φ420/Φ280-380mm規格的大型環件空冷過程的三維熱彈性有限元模型，對難變形GH690合金大型環件空冷過程中溫度場演化規律進行了模擬仿真研究。研究發現：

1) 整個空冷過程中，坯料金屬溫度分布梯度基本相同，環件兩端溫降最為嚴重，為低溫區域；環件兩端與心部過渡部分和內外表層金屬可以不斷獲得心部金屬的熱量補償，屬于中溫區；心部金屬熱量流失最慢，溫度最高。

2) 隨著空冷過程的不斷進行，最大溫度和最小溫度均不斷下降，但其差值不斷減小，當空冷時間超過5000s后，整體環件溫度均已將至250℃以下。

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Numerical simulation of temperature evolution law of air-cooling process of GH690 alloy large-scale ring

LIANG Sheng-long, MA Jun

TG376.9

A

1009-0134(2014)05(下)-0076-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).21

2014-02-18

省級示范性高職院校建設項目（蘇教高(2011)23號）；江蘇省高校“青藍工程”項目

梁勝龍（1963 -），男，江蘇蘇州人，副教授，本科，主要從事幾何量測量、機械工程設計的教學和科研工作。